基于单片机控制的交流变频调速系统

基于单片机控制的交流变频调速系统姓名:田冰杰学号:1030301134417专业:电气自动化技术班级:电气1343引言随着电力电子技术、微机控制技术以及大规模集成电路的发展，基于集成PWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛使用。本文介绍的GTRSPWM变频调速系统是以大规模专用集成电路HEF4752和单片机（80C51）为核心构成的控制电路，由HEF4752产生的三相PWM信号经隔离、放大后，驱动由GTR构成的三相桥式逆变器，使之输出三相SPWM的波形，实现异步电机变频调速。第1章概述1.1三相异步电动机变频调速的发展随着变频调速异步电动机在国内外市场上日益扩大使用。自90年代中期以来，我国有众多电动机生产企业设计、研制和生产适用于不同使用的各种系列变频调速三相异步电动机，例如：通用变频调速电动机系列、起重冶金变频调速电动机系列、隔爆变频调速电动机系列、电梯变频调速电动机系列、辊道变频调速电动机系列、牵引变频调速电动机系列等。从目前情况看，这些系列电动机能基本满足国内市场的需求。据资料显示，我国对于变频凋速三相异步电动机的品种不断扩大，产品设计也不断改进。为了适应不同用途、不同工作条件和使用环境、不同工况等各种要求，专用系列和改型系列变频调速电动机产品不论现在和将来，都在迅速发展。变频器供电电源会存电动机端子和各相绕组的前几匝线圈上产生高频瞬间脉冲峰值电，因此，如果不对绝缘系统采用增强措施．将会使绕组存高电压应力作用下过早失效，从而引起绝缘击穿故障。在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称PWM技术）也日趋成熟。PMW交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的使用。将单片机使用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点：（1）采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。（2）单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。（3）无零点漂移，控制精度高。（4）可以提供人机界面，多机连网工作。1.1SPWM变频调速系统概述二十世纪末以来,电力电子技术及大规模集成电路有了飞速的发展，在此技术背景下SPWM电路构成的变频调速系统以其结构简单、运行可靠、节能效果显著、性价比高等突出优点而得到广泛使用。众所周之早期的交-直-交变压变频器说输出的交流波形都是矩形波或六拍阶梯波，这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，会有较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能。为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发使用PWM技术的逆变器，由于它的优良技术性能，当今国内外生产的变压变频器都已采用这种技术。PWM技术是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中，前者主要使用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要使用于PWM逆变（DC－AC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。本课题设计主要介绍正弦波SPWM的变频调速控制系统。SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积和所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。第2章SPWM变频调速系统基本原理2.1SPWM变频调速系统基本原理PWM的原理，就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。PWM技术是利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。变频调速中，前者主要使用于PWM斩波（DC－DC变换），后者主要使用于PWM逆变（DC－AC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。根据面积等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而这种的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。当前逆变电源的控制技术中，滞环控制技术和SPWM控制技术是变频电源中比较常用的两种控制方法。滞环控制技术开关频率不固定，滤波器较难设计，且控制复杂，难以实现；SPWM控制技术开关频率固定，滤波器设计简单，易于实现控制。当二者采用电压电流瞬时值双闭环反馈的控制策略时，均能够输出高质量的正弦波，且系统拥有良好的动态性能.2.2系统设计总方案的确定在三相交流电源供电的情况下，共需经过八个主要模块完成整个调速过程。首先是三相整流变压器降压，然后经二极管桥式整流，再者由电容滤波器滤波获得直流电源，最后经IGBT逆变电路逆变，得到可调交流电源。IGBT为场控输入器件，输入功率小。确定主电路模块之后，本课程设计将采用HEF4752芯片构成SPWM波形生成电路，实现PWM波的调制。并采用电流转速双闭环调制系统，同时确定保护电路模块，检测电路模块，驱动电路模块等。系统总流程图如图1所示。图1SPWM变频调速系统总流程图第三章主电路设计3.1主电路功能说明主电路为AC/DC/AC逆变电路，由三相整流桥、滤波器、三相逆变器组成。三相交流电经桥式整流后，得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给逆变器。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为起动限流电阻，其上的电压波形反映了主回路的电流波形，可以用来观察波形。C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用IGBT所构成的，IGBT(V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六个续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）组成的双极式PWM可逆变换器。经变换器逆变，可将直流电源变成稳定的或可变的交流电源。3.2主电路设计平波回路隔离保护HEF4752波形控制电路电流转速双闭环调制电路检测电路保护电路整流电路逆变电路驱动电路M1.整流器本课题中的整流器是使用六个二极管组成，如图2所示，它把工频电源变换为直流电源。该电路整流输出接有大电容，而且负载也不是纯电感负载，但为了简化计算，仍可按电感计算，只是电流裕量要可适当取大些即可。2.平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有6倍频率的脉动电压，此外逆变变流器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。在滤波电容选择时，1C一般根据放电的时间常数计算，负载越大，要求纹波系数越小，一般不做严格计算，多取2000F以上.3.逆变器逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。3.3主电路电路图主电路电路图如图所示。3.1主电路第4章控制电路设计第四章控制电路设计4.1控制电路设计总思路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制回路。控制电路由以下电路，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测回路”，电动机的“速度检测回路”，将运算电路的控制信号进行放大隔离的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。下面详细介绍各单元电路。4.2SPWM波形产生电路4.2.1HEF4752芯片介绍HEF4752简介HEF4752是采用LOCMOS工艺制造的大规模集成电路，专门用来产生三相PWM信号。它的驱动输出经隔离放大后，既可驱动GTO逆变器，也可驱动GTR逆变器，在交流变频调速和UPS中作中心控制器件主要特点1）能产生三对相位差120°的互补SPWM主控脉冲，适用于三相桥结构的逆变器；2）采用数控方式不仅能提高系统控制精度，也易于和微机联机；3）采用多载波比自动切换方式，随着逆变器的输出频率降低，有级地自动增加载波比，从而抑制低频输出时因高次谐波产生的转矩脉冲和噪声等所造成的恶劣影响。调制频率的可调范围为0～100Hz，且能使逆变器输出电压同步调节。4）为防止逆变器上下桥臂器件直通，在每相主控脉冲间插入死区间隔，间隔时间连续可调。引脚说明HEF4752为28脚双列直插式标准封装DIP芯片，它有7个控制输入，4个时钟输入，12个驱动逆变器输出，3个控制输出。其外部管脚排列如图1所示。各管脚功能描述如表1所列HEF4752工作原理HEF4752是一种基于同步式双缘调制原理产生SPWM信号的专用集成电路,其原理框图如图2所示。输入功能1）输入I用来决定逆变器驱动输出模式的选择，当I为低电平时，驱动模式是晶体管，当I为高电平时，驱动模式是晶闸管图2.1HEF4752引脚图2）输入控制信号K和时钟输入OCT共同决定逆变器每对输出信号的互锁推迟间隔时间；3）相序输入CW用来控制电机转向。当CW为低电平时，相序为R、B、Y；当CW为高电平时，相序为R、Y、B；4）输入L用来控制起动/停止，L为低电平时，在晶体管模式下封锁HEF4752所有的脉宽调制驱动输出，但产生输出信号的内部电路仍在继续“运行”。L为高电平时解除封锁。L除起停电路外，还可方便地用于过流保护；5）控制输入A、B、C供制造过程试验用。工作时必须接到Vss（低电平）。但A还有另外一个用处，即刚通电时，A置高电平初始化整个IC片，被用作复位信号；6）时钟输入频率控制时钟（FCT）控制输出PWM信号的基波频率，即决定逆变器的输出频率fout，从而控制电机转速，fFCT=3360×fout。电压控制时钟（VCT）控制PWM信号的基波电压幅值，使输出电压自动地正比于其输出频率，在给定的输出频率下，平均逆变输出电压的幅度由fVCT控制。参考时钟（RCT）是一个固定时钟，它决定逆变器的最高开关频率fs(max)，fRCT=280×fs(max)，一旦fRCT确定，则HEF4752输出脉冲的调制频率就在0.6fs(max)～fs(max)之间变化，且逆变器的开关频率是输出频率的严格整数倍fs=N×fout，N为频率比，其N值为15，21，30，42，60，84，120，168；7）输出推迟时钟（OCT）控制HEF4752每对输出信号互锁推迟间隔时间τd（对晶体管模式）以防逆变器同一桥臂上、下两只开关器件同时导通引起直通，推迟间隔时间的选择端（K）一起决定τd的长短，其关系式为:一般情况K保持为高电平，通常可取fRCT=fOCT。输出功能1）逆变驱动输出HEF4752有六个主驱动输出组成三个互补对，还有和每一主输出相关联的辅助输出。在驱动GTR逆变器时，输出波形是双边沿调制的脉宽调制波，其调制原理可由图3加以说明。图中假定载波在一个周期内有9个脉冲（这个脉冲数被称为频率比），载波脉冲的两个边沿都用一个可变的时间间隔量δ加以调制，而且使δ∝sinθ（θ为未被调制时载波脉冲边沿所处的